(57)【要約】【課題】ゲート制御回路周辺の環境状態を改善し、メンテナンス性の向上および軽量化を実現する。【解決手段】電力変換回路の３相インバータ３構成する半導体素子とこれらの半導体素子にゲート信号を供給する複数のゲート制御回路７および電力変換回路の直流端子Ｐ，Ｎ間に接続されるフィルタコンデンサを含む電力変換ユニット６が共通の筐体２０内に収納され、フィルタコンデンサは半導体冷却ユニットと一体構造となり、複数のゲート制御回路７はフィルタコンデンサの下面に配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、
前記半導体素子へゲート信号を供給するゲート制御回路と、
前記電力変換回路の直流端子に接続されて直流電流を平滑するフィルタコンデンサと、を有する鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記半導体素子と前記フィルタコンデンサとが共通の筐体内に収納され、
前記フィルタコンデンサと前記半導体素子とは互いに固定された一体構造となることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の鉄道車両用の電力変換装置において、
複数の前記ゲート制御回路を有し、
前記複数のゲート制御回路は、共通のフレームに固定されて一括で着脱可能となることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項３】
請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置において、
電力変換装置を自立させる自立フレームを有することを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項４】
請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置において、
複数の前記ゲート制御回路を有し、
前記複数のゲート制御回路は、前記フィルタコンデンサの下面の空間に配置されることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項５】
請求項４記載の鉄道車両用電力変換装置において、
前記複数のゲート制御回路は、左右横並びに配置されることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項６】
電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、
前記半導体素子へゲート信号を供給するゲート制御回路と、
前記電力変換回路の直流端子に接続されて直流電流を平滑するフィルタコンデンサと、
前記半導体素子と接触して配置されて、前記半導体素子の冷却を行う半導体冷却ユニットとを有し、鉄道車両の筐体に収納される鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記フィルタコンデンサと前記半導体素子と前記ゲート制御回路と前記半導体冷却ユニットとは、一体として固定支持されて、前記筐体から取り外された際にも一体構造となることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項７】
請求項５記載の鉄道車両用の電力変換装置において、
前記電力変換装置は、前記ゲート制御回路を複数個有し、
前記複数のゲート制御回路は、共通のフレームに固定されて、前記電力変換装置から一括に着脱可能に構成されていることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項８】
請求項５記載の鉄道車両用の電力変換装置において、
前記電力変換装置は、自立フレームと固定され、自立可能な構造となることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項９】
請求項６記載の鉄道車両用電力変換装置において、
複数の前記ゲート制御回路を有し、
前記複数のゲート制御回路は、前記フィルタコンデンサの下面の空間に配置されることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９記載の鉄道車両用電力変換装置において、
前記複数のゲート制御回路は、左右横並びに配置されることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用の電力変換装置一般の主回路実装構造、特に電力変換装置の主回路実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両に設置される鉄道車両用電力変換装置は、鉄道架線から入力される電力を複数のＩＧＢＴからなる主回路のスイッチング動作により電力変換し、鉄道車両用電動機を制御するものである。この電力変換装置の主たる構成装置である主回路は、スイッチング素子であるＩＧＢＴと、その駆動回路，ＩＧＢＴの冷却器，架線から入力された直流電力の安定化のためのフィルタコンデンサなどから構成されている。
【０００３】
図３は従来の電力変換装置の斜視図を、図５は従来の電力変換装置の側面図を示す。
【０００４】
図３，図５を参照にして電力変換装置の構造を説明する。筐体２０内においてＩＧＢＴ１は、冷却ブロック４および冷却フィン５を有する半導体冷却ユニットの冷却ブロック４に取り付けられ、発熱損失を装置外の大気に放出する。上記半導体冷却ユニットと、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相分のＩＧＢＴ１、並びにフィルタコンデンサ２が同一の筐体２０内に収納され、電力変換ユニット６を構成している。
【０００５】
ＩＧＢＴ１へのゲート信号は、ゲート制御回路７から出力され、ゲート配線８を介して各ＩＧＢＴ１へ送出される。フィルタコンデンサ２は、図３における左右両脇に２つに分割配置される。ゲート制御回路７は２つに分割されたフィルタコンデンサ２の中央の空間に配置される。ここでは、ＩＧＢＴ１とゲート制御回路７，ゲート配線８，冷却ユニット，導体バー、および図示されてはいないがこれらを支持，結合するフレームからなる一体構成部分を特にパワーユニットと呼ぶ。
【０００６】
図３および図５に示す構造の電力変換ユニット６においては、フィルタコンデンサ２が２つに分割され両脇に配置された構造であるため、フィルタコンデンサ２の図３における前後方向の厚みが、分割しない場合のフィルタコンデンサと比較して増大する。その結果、フレーム構成上、ゲート制御回路７が比較的奥まった位置に配置されることになり、ゲート制御回路７の目視確認や回路チェックなどのメンテナンス作業が困難になる。特に、ゲート制御回路７のメンテナンス空間となる分割されたフィルタコンデンサ２の間隔寸法は狭いため、光ファイバーなどの脱着のアクセスが困難であるという問題があった。また、３相分のゲート制御回路を中央に集約して配置しているため、電力変換ユニット６内のゲート配線８が中央に集中し、配線エリアのためのスペース確保が困難であった。すなわち、ノイズ対策を考慮した束線わけが不十分となり、ノイズ対策が困難であった。さらに、ゲート制御回路７は熱のこもりやすい中央部に配置されることになり、特に上段のゲート制御回路は下段のゲート制御回路の発熱により加熱され、熱的に厳しい環境条件となっていた。
【０００７】
また、図３および図５に示す構造はフィルタコンデンサが２ａ，２ｂと２分割されていることにより、フィルタコンデンサ２およびそれに接続される配線導体や支持部材などの部品点数が多くなり、装置の構造の複雑化や重量増加の原因となっていた。
【０００８】
このような課題を解決する構成として、例えば特許文献１に記載された構造がある。特許文献１に記載された構造を図４を用いて説明する。
【０００９】
図４に示す構造は、上記した構造と同様に、筐体２０内においてＩＧＢＴ１は、冷却ブロック４および冷却フィン５を有する半導体冷却ユニットの冷却ブロック４に取り付けられ、発熱損失を装置外の大気に放出する。冷却ブロック４および冷却フィン５を有する半導体冷却ユニット，フィルタコンデンサ２とＵ，Ｖ，Ｗの３相分のＩＧＢＴ１を１つ筐体２０内に収納することにより電力変換ユニット６を構成している。
【００１０】
ゲート制御回路７は、フィルタコンデンサ２の下面に左右に並べて設置されているため、ゲート制御回路のアクセスは容易となる。また、フィルタコンデンサは、ゲート制御回路の上に、分割することなく１個にまとめた形で配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２３７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記構成にはいかに述べる問題点があった。
図４に示した電力変換装置は、フィルタコンデンサ２と、上述のパワーユニットが分割された構成となっており、筐体２０にフィルタコンデンサ２を固定支持した後に、パワーユニットとフィルタコンデンサ２の配線が接続され、フィルタコンデンサ２とパワーユニットは、別々に筐体２０に固定されている。
【００１３】
ここで、電力変換装置を鉄道車両に搭載して商業運転を行っている際において、電力変換装置のメンテナンスのために、電力変換装置を筐体から取り外すときには、フィルタコンデンサと筐体との固定支持部材を外し、フィルタコンデンサと上記ユニット間の配線を外し、フィルタコンデンサを筐体から取り出し、上記ユニットと筐体との固定支持部材を外し、上記ユニットを筐体から取り出す必要がある。この筐体は鉄道車両の床下の限られたスペースに搭載されるため筐体は小さく、この筐体の中でフィルタコンデンサと上記ユニット間の配線を外す作業を行うことは、作業者にとって非常に困難であり時間の掛かる作業であった。また、筐体から電力変換装置を取り外すための工数は多く、煩雑であった。
【００１４】
さらに、フィルタコンデンサおよび上記ユニットとが別々に筐体に固定支持されているため、固定支持部材などの部品点数が多くなり、電力変換装置の筐体への取り付け時やメンテナンス時に、作業者の工数が多くなるばかりか、重量を増加させる要因になっていた。
【００１５】
そこで本発明は、メンテナンス性の向上および装置の小型化を可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、半導体素子へゲート信号を供給するゲート制御回路と、電力変換回路の直流端子に接続されて直流電流を平滑するフィルタコンデンサと、を有し、半導体素子とフィルタコンデンサとが共通の筐体内に収納され、フィルタコンデンサと半導体素子とは互いに固定された一体構造とされる。
【００１７】
さらに、複数のゲート制御回路をユニットフレームと固定し、一括で脱着を行うことができる構成としても良い。このような構造とすることによりアクセス性やメンテナンス性が向上する。
【００１８】
さらに、フィルタコンデンサ一体構造時に、電力変換ユニットを安定化させるための自立フレーム１０を有しても良い。このような構造とすることにより、電力変換ユニットのメンテナンス性，操作性が向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、メンテナンス性の向上および低コスト化を可能とする鉄道車両用の電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態の斜視図。
【図２】本発明の一実施形態の側面図。
【図３】従来の実施形態の斜視図１。
【図４】従来の実施形態の斜視図２。
【図５】従来の実施形態の側面図。
【図６】本発明の一実施形態の電力変換装置の電気回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に本発明の一実施形態における電力変換装置の斜視図、図２に電力変換装置の側面図を示す。
【００２２】
図１および図２に示すように、本実施例における電力変換装置は、ＩＧＢＴ１，フィルタコンデンサ２，冷却ブロック４，冷却フィン５，ゲート制御回路７、を有し、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相分を集約した電力変換ユニット６から構成されており、電力変換ユニット６は、筐体２０の内部に固定的に収納されている。筐体２０内においてＩＧＢＴ１は、冷却ブロック４および冷却フィン５を有する半導体冷却ユニットの冷却ブロック４に取り付けられ、ＩＧＢＴ１から発生する発熱損失は電力変換装置外の大気に放出される。
【００２３】
ＩＧＢＴ１へのゲート信号はゲート制御回路７から出力され、ゲート配線８を介して各ＩＧＢＴ１へ送出される。ゲート制御回路７は、電力変換ユニット６の下面部であって、フィルタコンデンサ２の下面部の空間、かつ図１における前面側（冷却フィンの逆側）に配置される。さらに、ゲート制御回路７は、外部からの信号を入力する入力端となる光ファイバーの接続端子が図１における前面に向けて配置されている（図示していない）。
【００２４】
フィルタコンデンサ２は、半導体冷却ユニットやＩＧＢＴ１およびゲート制御回路７と固定されており一体構造を構成する。電力変換ユニット６の下面部に配置されたゲート制御回路７からＩＧＢＴ１へと伸びるゲート配線８は各相均等な長さで配置される。
【００２５】
次に、図６を用いて本実施例の電力変換装置の主回路構成を説明する。図６は電力変換装置の主回路構成を示す回路結線図である。鉄道のき電方式には交流式および直流式があり、主電動機にも交流電動機，直流電動機とが存在する。したがって、き電方式と電動機の組み合わせにより電力変換装置にもインバータ単独、またはコンバータ単独または両者の組み合わせが有り得るが、本実施例においては、一例として直流き電方式と交流電動機の組み合わせの場合に適用するインバータについて説明する。
【００２６】
本実施例の主回路は、直流端子Ｐ，Ｎ間に接続されるフィルタコンデンサ２と、３相インバータ３によって構成されている。３相インバータ３は、入力された直流を任意周波数・任意電圧の３相交流に変換し、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗに３相交流を出力するものである。３相インバータ３の６つの半導体素子（ＰＵ，ＮＵ，ＰＶ，ＮＶ，ＰＷ，ＮＷ）は、ＩＧＢＴ１で構成されている。各相のＩＧＢＴ１は、素子と素子に並列接続されたフリーホイールダイオードとからなっている。本明細書で説明する構造例では各半導体素子（ＰＵ，ＮＵ，ＰＶ，ＮＶ，ＰＷ，ＮＷ）はＩＧＢＴ１で総称する。
【００２７】
本実施例の特徴は、上述のようにフィルタコンデンサとパワーユニットを一体化した構成にする事により、一体の装置として筐体に着脱可能となるため、電量変換ユニット内の配線接続は筐体内で行う必要がなくなり、電力変換ユニットを筐体から取り出した後に、電量変換ユニット内の配線接続を行うことが可能となる。つまり、狭い筐体内での煩雑な作業を省くことができ、メンテナンス性を向上させることができる。また、フィルタコンデンサ２とパワーユニットを、一体構造として筐体へ固定支持することにより、一体の装置として筐体に着脱可能となるため、筐体と電力変換ユニットとを固定支持する部品点数を減らすことができ、筐体からの着脱のための工数を減らすことができ、かつ構成のシンプル化，軽量化を実現できる。さらに、上述のようにゲート制御回路７がフィルタコンデンサ２の下面の空間に配置されることにより、ゲート配線８は、各相のＩＧＢＴ１に対して均等な長さで配置することができるため、ゲート配線８は、ゲート制御回路７の周りで入り乱れることがなく整然と束分けされて配置することが可能となる。そのため、ノイズ対策を考慮した束線わけが可能となり、ノイズによる誤動作を防止することができる。
【００２８】
また、本実施例ではゲート制御回路７を電力変換ユニット６における前面寄り（冷却フィンの逆側）に配置したため、電力変換装置のメンテナンス時には、図１における前面側から電力変換ユニット内の各装置へアクセスすることでメンテナンスが可能となり、ゲート制御回路７の装置および光ファイバーコネクタの脱着の作業性，ゲート制御回路７のチェックの作業性が向上する。また、ゲート制御回路７を上下方向に積重配置することなく左右横並びに配置することにより、ゲート制御回路７の発生する熱の影響を他のゲート制御回路７が受けることが無くなる。
【００２９】
さらに、本実施例のように、フィルタコンデンサ２と半導体冷却ユニットとＩＧＢＴ１とゲート制御回路７とが一体として固定された電力変換ユニットは、一体構造として筐体へ固定支持することにより、一体の装置として筐体に着脱可能となるため、筐体と電力変換ユニットとを固定支持する部品点数を減らすことができ、筐体からの着脱のための工数を減らすことができ、かつ電力変換装置の低コスト化を実現できる。
【００３０】
また、電力変換ユニットは一体の装置として筐体に着脱可能となるため、電力変換ユニット内の配線接続は筐体内で行う必要がなく、電力変換ユニットを筐体から取り出した後に、電力変換ユニット内の配線接続を行うことが可能となる。つまり、狭い筐体内での煩雑な作業を省くことができ、メンテナンス性を向上させることができる。
【００３１】
図４に示した従来の電力変換装置は、半導体素子を有するユニットと、フィルタコンデンサとが別々に筐体２０に固定されており、フィルタコンデンサとこのユニットとは、筐体内で配線接続されていた。そのため、配線作業を考慮してフィルタコンデンサとユニットとの回路上の距離の短縮には限界があった。これに対し、本実施例では、フィルタコンデンサとインバータを有するユニットとは一体として固定支持されているため、筐体内での配線作業は必要ない。そのため、フィルタコンデンサと半導体素子との回路上の距離を従来の電力変換装置よりも短縮することが可能となり、電力変換装置のインダクタンスを低減することができる。
【００３２】
従来の構成は、ゲート制御回路の脱着の容易性について考慮されておらず、ゲート回路を半導体冷却ユニットから外す際には、各ゲート制御回路と半導体冷却ユニットとの配線および固定部材を外す必要があり、メンテナンス性が悪かった。本実施例においては、ゲート制御回路７が電力変換ユニット６の下面部の前面側にユニットフレーム９と共に設置される。このユニットフレーム９は一体で半導体冷却ユニットから取り外しが可能である。このような構造とすることで、ゲート制御回路の脱着作業性，ゲート制御回路チェック時の作業性が向上する。さらに、ゲート制御回路７と半導体冷却ユニットとの配線を、スロットイン構造とし、ユニットフレーム９を半導体冷却ユニットとの固定位置に押し込むと、同時に配線も接続される構造とするとメンテナンス性がさらに向上する。
【００３３】
本実施例では、さらに電力変換ユニット６の下部に自立フレーム１０を配置することができる。自立フレーム１０が電力変換ユニット６の下部に設置されることにより、電力変換ユニット６は、筐体へ固定指示していない状態においても自立することが可能になるため、筐体への取り付け作業が容易となる。また、メンテナンスの際の電力変換ユニットの持ち運びも容易となる。
【符号の説明】
【００３４】
１  ＩＧＢＴ
２  フィルタコンデンサ
３  ３相インバータ
４  冷却ブロック
５  冷却フィン
６  電力変換ユニット
７  ゲート制御回路
８  ゲート配線
９  ユニットフレーム
１０  自立フレーム
２０  筐体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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